PCM时分复用电路的设计与仿真

PCM时分复用电路的设计与仿真

姜宝钧，邓兴成，李立新，孔吉

电子科技大学物理电子学院（610054）

Email：jbj@uestc.edu.cn

摘要 SystemView仿真软件可以实现多层次的通信系统仿真。脉冲编码调制（PCM）是现代语音通信中数字化的重要编码方式，而时分复用系统可以提高信道的利用率。利用SystemView实现双路语音的数字化传输仿真，可以为硬件电路实现提供理论依据。本文通过仿真展示了PCM时分复用实现的设计思路及具体过程，并加以进行分析。 关键词 PCM 编译码 时分复用

1.引言

随着电子技术和计算机技术的发展，仿真技术得到了广泛的应用。基于信号的用于通信系统的动态仿真软件SystemView具有强大的功能，可以满足从底层到高层不同层次的设计、分析使用，并且提供了嵌入式的模块分析方法，形成多层系统，使系统设计更加简洁明了，

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便于完成复杂系统的设计。

SystemView具有良好的交互界面，通过分析窗口和示波器模拟等方法，提供了一个可视的仿真过程，不仅在工程上得到应用，在教学领域也得到认可，尤其在信号分析、通信系统等领域。其可以实现复杂的模拟、数字及数模混合电路及各种速率系统，并提供了内容丰富

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的基本库和专业库。

本文主要阐述了如何利用SystemView实现双路语音的时分复用传输过程。系统的实现通过模块分层实现，模块主要由PCM编码模块、PCM译码模块、帧同步码产生模块及逻辑时钟控制信号构成。通过仿真设计电路，分析电路仿真结果，为最终硬件实现提供理论依据。

2．系统介绍

PCM既脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。根据CCITT的建议，为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种建议方式，分别为A律和µ律方式，我国采用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用13折线法编码,采用非均匀量化PCM编码示意图见图1

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语音瞬时压缩均匀量化编码解码瞬时扩张语音 图1 非均匀量化PCM编码 PCM编译码器的实现可以借鉴单片PCM编码器集成芯片，如：TP3067A、CD22357等。单芯片工作时只需给出外围的时序电路即可实现，考虑到实现细节，仿真时将PCM编译码器分为编码器和译码器模块分别实现。 1http://www.paper.edu.cn

2.1 PCM编码器模块

PCM编码器模块主要由信源输入端子、低通滤波器、瞬时压缩器、A/D转换器、并/串转换器、输出端子构成，实现模型见图2所示：

图2 PCM编码模块模型

在通信系统中，由于电话线的带宽约为3kHz，以电话的音质为准，一般认为在通信中语音的带宽为300Hz－3400Hz，在这里采用高斯信号经过滤波器实现。高斯信号经过PCM编码器子模块的输入端（图符21）后，通过低通滤波器（图符19）完成语音频带过滤，由于PCM量化采用非均匀量化，还要使用瞬时压缩器实现A律压缩后再进行均匀量化，A/D转换器（图符11）完成采样及量化，由于A/D转换器的输出是并行数据，必须通过数据选择器（图符14）完成并/串转换成串行数据，最后通过图符23输出PCM编码信号。

2.1.1 PCM编码器组件功能实现

（1）低通滤波器：为实现信号的语音频率特性，考虑到滤波器在通带和阻带之间的过渡，采用了低通滤波器，而没有设计带通滤波器。为实现信号在300Hz－3400Hz的语音频带内，在这里采用了一个阶数为5阶的切比雪夫滤波器，其具有在通带内等波纹、

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阻带内单调的特性。

（2）瞬时压缩器：瞬时压缩器（图符20）使用了我国现采用A律压缩，注意在译码时扩张器也应采用A律解压。对比压缩前后时域信号（见图3、图4），明显看到对数压缩时小信号明显放大，而大信号被压缩，从而提高了小信号的信噪比，这样可以使用较少位数的量化满足语音传输的需要。

图3 压缩前信号

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图4 压缩后信号

（3）A/D转换器：完成经过瞬时压缩后信号时间及幅度的离散，通常认为语音的频带在300Hz－3400Hz，根据低通采样定理，采样频率应大于信号最高频率两倍以上，在这里A/D的采样频率为8Hz即可满足，均匀量化电平数为256级量化，编码用8bit表示，其中第一位为极性表示，这样产生了64kbit/s的语音压缩编码。

（4）数据选择器：图符14为带使能端的8路数据选择器，与74151功能相同，在这里完成A/D转换后的数据的并/串转换，图符15、16、17为选择控制端，在这里控制轮流输出并行数据为串行数据。通过数据选择器还可以实现码速转换功能，具体使用见后面时分复用部分说明。

（5）图符18为乘法器，其作用见时分复用部分说明。

2.2 PCM译码器模块

PCM译码器是实现PCM编码的逆系统。 PCM译码器模块主要由PCM数据输入端子、串/并转换器、锁存器、D/A转换器、瞬时扩张器、低通滤波器构成。实现模型见图5所示：

图5 PCM译码模块实现模型

2.2.1 PCM编码器组件功能实现

（1）串/并转换器：图符40为一个由8位移位寄存器实现的串并转换器，SystemView的逻辑库可以提供与74164功能一致的组件，其具有两路与输入，需要输入外部时钟及清零设置，数据输入A为通过子系统输入端子（图符46）接受的PCM信号， 为不影响与操作，另一路输入B为高电平，时钟与位时钟相同，为256KHZ时钟。 （2）锁存器（图符41）：经过串并转换后的串行数字语音信号，每8bit为一个数据帧，必须经过锁存才可以将数据并行送至D/A转换器。在实际电路中往往使用74373实现锁存功能，SystemView的逻辑库可以提供与74373功能基本一致的8位锁存器，差别是无三态输出方式。锁存器的使能端的时序控制应该与采样时钟一致，由于系统存在时延，在使能端通过设置初始相位解决后，送至D/A转换器中。 （3）瞬时扩张器（图符45）：实现与瞬时压缩器相反的功能，由于采用A律压缩，扩张也必须采用A律瞬时扩张器。 （4）低通滤波器（图符43）：由于采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔径失真，

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量化时也会带来量化噪声，及信号再生时引入的定时抖动失真，需要对再生信号进行幅度及相位的补偿，同时滤除高频分量，在这里使用与编码模块中相同的低通滤波器。

3． 时分复用系统实现

3.1 时分复用原理

时分复用就是将抽样周期分成若干个时隙，各路信号的抽样值编码按一定的顺序占用某一时隙，用一个信道传输多路数字信号，既一个物理信道分为多个逻辑信道。在现代交换机之间往往采用数字中继传输方式，将多路信号复接为一个基群，如我国采用的E制：基群传输数率为2048Kb/s。时分复用设备主要由复接器和分接器组成，示意图见图6，其中复接器完成时分复用功能，复接器完成解时分复用功能。

外部时钟定 时钟同时步定 时数字语音信号支路码速调整复接器复接合路分接分接器复原数字语音信号支路图6 时分复用系统示意图 3.2 时分复用系统设计 时分复用系统实现见图7。其中图符47、图符10为PCM编码模块；图符36、图符25为PCM译码模块；图符63为同步码组生成模块；图符2、图符9为两路高斯信号；图符4为帧同步信号；图符3、图符62为延迟算子；图符6为‘或’运算；图符7、8、73为‘与’运算。 图7 时分复用实现 设计两路语音时分复用，为保证接受端与发送端同步，需要在复合帧中插入帧同步码， 4http://www.paper.edu.cn

帧同步码可由自己确定，这里使用了00011011的PCM帧同步固定码组，两路语音PCM编码分别用PCMA和PCMB表示，为实现方便，还插入一路空数据填充为四路码组复用，则复用后的信号帧的结构为（帧同步码）+（PCMA）+（PCMB）+（00000000）。单路PCM数字信号通过复接器填充到相应的分配时隙，最后复合成合路信号通过信道传输后，再进行解复用。解复用电路的功能主要为分离出两路PCM编码信号，送至PCM译码电路复原为模拟语音信号输出。

语音信号实现PCM编码时采样频率为8KHz，采用8位的A/D转换器，则每秒产生64Kbit数据，即单路PCM编码信号每帧为8bit，每秒8K帧。时分复用时，将四路信号复合后传输，每个复合帧由四个时隙组成，每个时隙表达一路数据，每个时隙为8bit数据，则32bit数据为一个复合帧，复合信号每秒产生64k×4＝256Kbit的数据。由于单路PCM数据与复合帧内所占时间长度不一致，单路PCM帧中每位数据时间长度是复合帧中每位的4倍，所以必须进行码速变换，一般的实现过程位将PCM信号通过串/并转换后锁存，再经过逻辑控制选通信号轮流输出需要的信号。在这里码速变换在PCM编码模块中实现，PCM编码实现时如果采用8KHz采样速率，8bit量化，那么A/D转换器产生的数据率为64kbit/s，完成64Kbit/s的串行输出时，PCM编码模块中的图符15、图符16、图符17所表示的逻辑控制信号分别为32kHz、16kHz、8kHz，占空比均为50％的方波，现在为实现码速变换，提高输出码元速率，将图符15、图符16、图符17所表示的时钟信号分别提升为128kHz、64kHz、32kHz，占空比仍为50％，这样对锁存数据的采样频率由8k提升至32k，产生重复的数据帧，新的每路PCM数据帧每四帧相同（见图8），在复合时只需选择与复合帧中对应时隙的那一帧即可。

图8 重复的单路PCM编码数据帧

3.3 时隙选通逻辑控制

帧同步信号由图符4产生后，经过图符3和图符62不同的延迟产生不同的时隙选通信号，选通信号将一个完整的帧分为四个时隙，每帧长度为1/8k＝0.125s，则每个时隙所占选通时隙长度为帧长度的1/4，即0.03125s，是占空比为25%的方波。图符3和图符62的延迟分别为0.03125s和0.0625s，不同时隙选通信号时隙关系见图9。

图9 时隙选通信号

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不同的时隙选通信号通过与对应的已经过4倍码速变换的PCM编码信号调制（通过PCM编码模块中图符18实现），获得单路欲复合的PCM编码时隙信号，同步码组也进行相同操作，最后经过‘或’操作（图符6）复合为时分复用信号。

3.4 帧同步码组实现

帧同步码的实现见图10，通过使用数据选择器（图符65）实现，首先预置数据选择

器的输入，为产生00011011的码组，输入端I0到I7的状态分别为00011011，然后通过图符66、67、68控制轮流选择输出。图中图符66、67、68是频率分别为128k、64k、32k，占空比均为50％的方波。

图10 同步码组实现图

3.5 解时分复用实现

解时分复用采用同步方式实现，通过使用不同支路复合时的不同时隙选通信号与复合信号进行‘与’操作分接出欲译码的单路PCM编码时隙信号，再通过PCM译码模块进行单路语音复原。

4．仿真结果

通过输入输出的时域观测窗口，我们得到仿真结果（见图11），经过PCM编码后时分复用传输再经过解时分复用PCM译码后的信号与原始语音信号对比，波形失真小，但是有一定的延迟。通过将高斯信号置换为声音文件（.wav）比较输入输出，声音失真很小。

图11 语音信号输入输出时域波形对比

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5．结论

本文给出了利用SystemView进行双路语音PCM时分复用系统的仿真，具有新颖性和实用性，在教学中作为开放式教学实验，可以大大激发学生的实验兴趣及动手能力。同时仿真方案可以为硬件电路实现提供理论依据，在实现时由于PCM中压扩环节的实现比较复杂，可以考虑将编译码模块使用单片PCM编译码集成芯片实现。

参考文献：

[1] 罗卫兵等，SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计，西安：西安电子科技大学出版社，2001。 [2] 李东生等，SystemView系统设计及仿真入门与应用，北京：电子工业出版社，2002。 [3] 樊昌信等，通信原理，北京：国防工业出版社，2001。 [4] 曹志刚等，现代通信原理，北京：清华大学大学出版社，1992。

[5] 王安红等，PCM编解码器的软件实现，太原重型机械工业学院学报，Vol。25 No。4，Dec 2004。

Design and simulation of PCM Time-division multiplexing circuit

JIANG BaoJun，DENG XingCheng，LI liXin，KONG Ji

School of Physical Electronics

University of Electronic Science and Technology of China，hengdu,610054,China

Abstract

Systemview is a simulate software which can realize multi-levels communications systems simulation .Pulse-encode-modulation (PCM) is a coding system which is widely used. Time-division multiplexing (TDM) can lead to more efficient use of channel. Using systemview software to realize PCM TDM transmission offers design idea of circuit. This paper describes and analyses design method and realize process of realizing PCM TDM transmission by simulation method.

Keywords: Pulse-encode-modulation Coding-decoding Time-division multiplexing

作者简介：姜宝钧(1969-)，男，硕士，讲师，山东青岛人。

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